2011.12中国 汕头 超超临界机组技术交流 2011 年会1700超超临界机组高温材料研发最新进展毛健雄清华大学热能工程系摘要：中国现在是燃煤火电装机容量最大的国家， 也是二氧化碳排放最大的国家，尽可能提高电厂效率，大力发展超超临界燃煤火电技术， 是当前降低火电二氧化碳排放最现实、最可行、最经济、最有效的途径。本文重点介绍欧盟的 AD700 和 COMTES700 等计划，以及美国和日本的 700 超超临界计划对高温材料研发的最新进展，其中包括材料试验、高温材料部件挂炉试验结果和示范厂计划，与此同时， 文章还就高温金属材料用于 700 等级超超临界机组的瓶颈和制约因素和解决方案进行了探讨。关键词：700超超临界技术；高温金属材料1 前言中国是目前世界最大的煤炭生产和消费国，也是世界上最大的二氧化碳排放国。为了应对气候变化，中国现在面临着巨大的二氧化碳减排压力。2010 年中国煤炭消费量达 32 亿吨，其中用于燃煤发电的煤量约占全国总煤炭消费量的 55%， 实际上， 燃煤火电是中国最大也是最集中的二氧化碳排放源。图 1 所示， 为燃煤火电厂降低二氧化碳排放的可能技术途径，其中碳捕获和埋存技术（Carbon Capture and Storage CCS）是高能耗和高投资的技术，现在还处于研发阶段，并不是当前可实用的技术。大容量火电厂煤与生物质混烧发电，目前中国还没有相应的激励政策，而且其推广应用还受到各种因素的制约，对二氧化碳的减排贡献有限。因此，在 CCS 能够得到大规模推广应用之前的一个相当长的时期内，最可行、经济、可靠的燃煤火电机组二氧化碳减排的途径就是提高效率，其途径是：（1）坚持“上大压小”政策，坚决关停低效率的小机组，大力发展大容量高效率火电机组； （2）千方百计，技术创新，尽可能提高现有火电厂的效率；（3）大力发展高参数更先进的超超临界技术，进一步将 600等级超超临界机组的净效率提高到48%以上；（4）发展更大容量的先进的 37.5MPa/700/720/720双再热机组，将 1,000-1,500MWe 超超临界机组净效率提高到 50%以上。CarbonReductiTimeNear-tmMid-termLong-ter90%20% APGF Eficeny GainCO2apture &Storg GinCo-firg i50%图 1 燃煤火电厂走向二氧化碳接近零排放的技术途径碳捕获和封存（CCS)煤与生物质混烧发电（CCS)提高效率近期 中期 长期 时间CO2排放降低率2011.12中国 汕头 超超临界机组技术交流 2011 年会2表 1 为各种蒸汽参数火电机组热效率的比较，表 2 为中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较。由表 1 可见，对于火电机组，蒸汽参数越高，再热次数越多，给水温度越高，则效率越高。因此，现在火电机组提高效率的主要途径，就是提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界机组。表 3 为火电厂净效率和 CO2排放的关系，表 4 为火电机组热效率、发电煤耗和每度电 CO2排放量之间的关系，它们表明了提高效率和 CO2减排之间的定量关系。例如，1,000MWe 的超超临界机组要比 600MWe 亚临界机组的标准煤耗低 33 gce/kwh，而正在开发的最先进的 700超超临界机组，其净效率可达 53%，其每度电的 CO2排放量要比现在世界的平均水平低 42 gce/kwh。因此，尽可能提高蒸汽参数是大大提高效率、降低煤耗和减排 CO2的重要措施。表 1 各种蒸汽参数火电机组热效率的比较机组类型 蒸汽参数 再热次数（次数） 给水温度 （) 热效率 (%)亚临界 17MPa/540/540 1 275 35超临界 24MPa/538/566 1 275 40超超临界 25MPa/600/600 1 275 45超超临界 35MPa/700/700 1 275 48.5超超临界 30MPa/700/720/720 2 310 51超超临界 35MPa/700/720/720 2 320 52.5超超临界 37.5MPa/700/720/720 2 335 53表 2 中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较机组类型 亚临界2600MWe 超临界2600MWe 超超临界21,000MWe蒸汽参数 16.7MPa/538/538 24.5MPa/538/566 24.5MPa/566/566汽轮机的热(Kcal/kwh) 1,877 1,830 1,780热效率 (低位热值) () 39 42.91 43.63标准煤耗 (gce/kwh) 315 286 282煤耗的降低 (gce/kwh) 基数 29 33表 3 火电厂净效率和 CO2 排放的关系燃煤火电厂净效率% 单位发电量 CO2排放值 g/kWHh CO2减排率%30 1100 基数35 950 13.640 820 25.545 750 31.850 680 38.255 600 45.52011.12中国 汕头 超超临界机组技术交流 2011 年会3表 4 火电机组热效率、发电煤耗和每度电 CO2 排放量之间的关系项目 世界最高水平 世界先进水平 欧盟平均水平 世界平均水平热效率（） 50 45 38 30发电煤耗（gec/kWh) 238 320 379 480CO2排放值（g/kWh) 669 743 991 1,1601kWh 的 CO2减排（） 42 36 24 基数根据这一指导思想，中国采取了“上大压小”等一系列政策，大大推动力大容量、高参数超超临界机组的发展。据统计，自 2007 年以来中国订货的 600 等级的 1000MWe 超超临界机组为97 台，总容量为 97,000MWe 。至 2010 年底在建 68 台，现在已建成投产的 29 台。以上海外高桥三电厂为代表的 1000MWe 超超临界机组，其 2010 年的供电煤耗达 279gce/kWh，为世界上最先进的水平。这一 1000MWe 超超临界机组每度电的二氧化碳排放要比全国平均水平低 200 g/kWh 以上。发展高参数高效率的超超临界机组，关键是材料。现在能够满足 600 蒸汽参数超超临界机组的合金铁素体（Ferrite）和合金奥氏体（Austenite ) 材料已经在现有 600超超临界机组中得到大规模的应用。 为了进一步将机组的净效率提高到 50% 以上， 就必须将蒸汽温度提高到 700以上，这样，能够满足 600 蒸汽参数的合金铁素体和合金奥氏体材料已经不能满足要求，必须采用镍基合金材料。图 2 不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料表 5 超临界和超超临界煤粉炉采用的高温耐热材料的发展项目 当前使用材料 当前最新技术材料 今后研发的新技术 材料蒸汽参数 23.5MPa/ 540/560 300MPa/600 /620 358MPa/700 /720水冷壁 5Mo3/BS/Grade 243 ASTM A213/T24 或 T23(HCM2S) HCM12过热器和再热器 T91;T23 NF709/E1250/T91 Ni 基合金水冷壁材料 过热器/再热器材料 主蒸汽/再热蒸汽管和集箱材料 2011.12中国 汕头 超超临界机组技术交流 2011 年会4集箱和蒸汽管道 P91/P22/P23 A336/P92/P122/NF616/AC66/E1250 Ni 基合金图 2、图 3 和表 1 为不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料，由图 2 可见，对于蒸汽参数为350bar 和过热及再热蒸汽温度为 700/720的超超临界机组，其过热器/再热器和主蒸汽/再热蒸汽管道和集箱就必须采用镍基合金材料。图 3 表明，对于蒸汽温度为 540的超临界锅炉，可以 100%采用铁素体合金钢；对于蒸汽参数为 600/620的超超临界锅炉，高温段要采用 20%的奥氏体合金钢；对于蒸汽强度为 700/720的超临界锅炉，除了 24%的材料是奥氏体合金钢外，700温度段的镍基合金材料占整个锅炉材料的 16%，而镍基合金材料要占整个 700超超临界机组材料的 29%。图 3 不同蒸汽参数对锅炉材料的不同要求及高温材料所占的份额2 700 镍基合金材料的研发为了研发蒸汽温度为 700先进超超临界机组， 欧盟、美国、日本和中国先后开展了 700镍基合金高温材料的研发。700等级材料的挑战在于：（1）迄今已开发出的铁素体和奥氏体高温材料未能满足在 700的条件下蠕变强度的要求；（2）Ni-Co 基合金材料由于其很差的韧性、抗疲劳特性和可加工性，要研发其可用于 700等级的大直径厚壁管道。因此首先要对已开发出的候选铁素体、奥氏体和镍基材料进行进一步的改进和试验。700超超临界火电机组对高温材料的基本要求是：（1）高温持久蠕变性能：（100MPa 700750/10 5h 持久强度）（2）耐高温腐蚀性能：（10 5h 金属截面损失小于 1mm）（3）长期组织稳定性。（4）管内壁抗蒸汽氧化；（5）良好的冷热加工工艺性能；（6）良好的焊接性能。（7）管外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀；（8）低成本。具体要求见表 2：表 2 对 700等级超超临界锅炉的材料要求材料性质 材料要求和评估高温强度 蠕变强度 基础技术和焊接件的蠕变强度100%铁铁 素体素体 80%铁铁 素体素体 60%铁铁 素体素体2011.12中国 汕头 超超临界机组技术交流 2011 年会5热疲劳 材料性质蠕变疲劳 在启动、稳定态运行和停机时管道热膨胀时管道蠕变疲劳的交 互作用及其寿命的评估烟气侧腐蚀 过热器管子燃烧侧腐蚀抗腐蚀蒸汽侧氧化 蒸汽管子和管道内表面氧化皮的厚度和脱落特性焊接特性 焊接时固化、液化和低延伸性的焊接断裂加工制造特性 热弯管修理特性 使用多年的管子的焊接特性检测和质量评估特性 各种监测试验的适用性成本 材料成本和附加的加工制造成本从已开发用于燃气轮机和化工有业绩的奥氏体和 Ni 基材料中选取 700超超临界候选材料包括有：（1）锅炉管道: HR6W、174、 Inconel 617、 Inconel 740、 Nimonic 263;（2）汽机锻件: Inconel 625、617(改进型 TOSIX)、 Inconel 718、 Nimonic 263、 IN 706（改进为 FENIX700） 、LTES（3）汽机铸件: Inconel 625、 Inconel 617（4）汽机叶片棒材; Wasp-alloy，N105（5）螺栓: M252(USC141)、LTES其中最主要的 700等级镍基候选材料的特点是：（1）Inconel 617 合金：是美国研制的镍基合金（0.08C-22Cr-12Co-9Mo-2Fe-1,OA1-0.4Ti-B). 主要是固溶强化和少量的 Ni3(Al、Ti)相强化。其 700的 10 万小时持久蠕变强度为120MPa。750的 10 万小时持久蠕变强度为 90-100MPa。过去只有 3 万小时持久蠕变强度试验数据；（2）Inco